火花塞

技术领域

本发明涉及一种在母材接合有电极头的火花塞。

背景技术

例如在专利文献1中公开有涉及经由熔融部在母材的表面接合有电极头的火花塞的现有技术。现有技术通过设定电极头和熔融部的界面相对于母材的表面的角度来确保接合的耐久性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2017－537444号公报

发明内容

发明要解决的问题

现有技术不仅在接合的耐久性，在电极头的耐消耗性方面也存在改善的余地。

本发明是为了满足该要求而完成的，其目的在于提供一种能够提高电极头的耐消耗性和接合的耐久性的火花塞。

用于解决问题的方案

为了达成该目的，本发明的第1技术方案为，一种火花塞，其包括：母材，其包含第1成分，且该第1成分的含量最多；电极头，其包含与第1成分种类不同的第2成分，且该第2成分的含量最多；以及熔融部，其与电极头和母材相接且含有第1成分和第2成分，电极头具备：第1电极，其包含放电面和侧面，该侧面是与熔融部的表面相交的面且与放电面相连；以及第2电极，其与第1电极空开间隔地设置，在该火花塞中，熔融部中的第1成分的含有率X相对于母材中的第1成分的含有率Y的比例X/Y小于0.93，在与放电面垂直的截面中，将包含放电面的第1直线上的自第1垂线向相对于熔融部的表面远离的方向分离0.03mm的点和第2交点之间的距离设为C(mm)，该第1垂线是从电极头的侧面和熔融部的表面相交的第1交点向第1直线引出的垂线，该第2交点是通过第1直线上的上述点且与第1直线垂直的第2直线与电极头和熔融部的界面相交的点，将从第1交点向通过第2交点且与放电面平行的直线引出的第2垂线的长度设为B(mm)，此时，B/C≥0.4。

第2技术方案为，在第1技术方案中，比例X/Y为0.69以下。

第3技术方案为，在第1或第2技术方案中，第1垂线的长度A大于0mm且小于0.2mm。

第4技术方案为，在第1或第2技术方案中，第1垂线的长度A大于0mm且小于0.12mm。

第5技术方案为，在第1～4技术方案的任一项中，若将第1垂线的长度设为A，则A/C＜0.53。

第6技术方案为，在第1～5技术方案的任一项中，若将第1垂线的长度设为A，则A/B＜0.89。

第7技术方案为，在第1～6技术方案的任一项中，第1成分是Ni。

第8技术方案为，在第1～7技术方案的任一项中，第2成分是Ir。

发明的效果

根据本发明，相对于电极头和熔融部的界面上的第2交点与电极头的放电面之间的距离C，从电极头的侧面和熔融部的表面相交的第1交点向通过第2交点且与放电面平行的直线引出的第2垂线的长度B为0.4倍以上。由于确保了电极头中的被熔融部包围的部分的长度，因此，能够提高电极头的耐消耗性。而且，熔融部中的作为母材的主要成分的第1成分的含有率X相对于母材中的第1成分的含有率Y的比例X/Y小于0.93，因此，能够降低电极头和熔融部的界面的热应力。能够减少在界面产生的裂纹的发生，因此，能够提高接合的耐久性。

附图说明

图1是一实施方式的火花塞的单侧剖视图。

图2是中心电极的剖视图。

附图标记说明

10、火花塞；13、中心电极(第1电极)；14、母材；15、熔融部；16、电极头；17、界面；19、表面；20、放电面；21、侧面；31、接地电极(第2电极)；34、第1交点；35、第1直线；36、第1垂线；37、点；38、第2直线；39、第2交点；40、直线；41、第2垂线。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。图1是一实施方式的火花塞10的以轴线O为界的单侧剖视图。在图1中，将纸面下侧称为火花塞10的前端侧，将纸面上侧称为火花塞10的后端侧(在图2中也相同)。如图1所示，火花塞10具备引起火花放电的第1电极和第2电极。在本实施方式中，将中心电极13作为第1电极，将接地电极31作为第2电极。

绝缘体11是机械特性、高温下的绝缘性优异的氧化铝等陶瓷制的大致圆筒状的构件。绝缘体11沿着轴线O设有轴孔12。

中心电极13是配置在绝缘体11的轴孔12之中的棒状的构件。中心电极13的以铜作为主要成分的芯材被有底圆筒状的母材14覆盖。能够省略芯材。母材14具有包含第1成分且该第1成分的含量最多的化学组成。第1成分例示为Ni、Co、Fe。在本实施方式中，第1成分为Ni，但不限于此。第1成分所占母材14的比例，优选为50质量％以上，更优选为55质量％以上，进一步优选为60质量％以上，特别优选为70质量％以上。

图2是省略了中心电极13的后端侧的图示的、中心电极13的前端附近的剖视图。在母材14的前端经由熔融部15连接有电极头16。熔融部15是通过对电极头16的底面与母材14接触的部分照射激光束的激光焊接来形成的。熔融部15由母材14和电极头16熔融而成。熔融部15包含电极头16与熔融部15的界面17、母材14与熔融部15的界面18以及将母材14和电极头16连起来的熔融部15的表面19。

电极头16从绝缘体11的前端向前端侧突出。电极头16具有包含与第1成分种类不同的第2成分且该第2成分的含量最多的化学组成。第2成分例示为Pt(铂)、Rh(铑)、Ir(铱)、Ru(钌)等贵金属中的一种。在本实施方式中，第2成分为Ir，但不限于此。对于第2成分所占电极头16的比例，优选为50质量％以上。

熔融部15中的第1成分的含有率(质量％)相对于母材14中的第1成分的含有率(质量％)的比例X/Y受到第1成分所占母材14的比例以及熔融于熔融部15的母材14的比例的影响。能够根据激光焊接时的照射激光束的位置、角度、光束强度的设定等，来设定熔融于熔融部15的母材14的比例。

比例X/Y小于0.93，更优选为比例X/Y为0.69以下。这是为了减小包含第1成分的熔融部15的线膨胀系数和包含第2成分的电极头16的线膨胀系数的差，降低电极头16和熔融部15的界面17的热应力。优选为第1成分所占熔融部15的比例是20质量％以上。这是为了确保熔融于熔融部15的母材14的量，来确保母材14和熔融部15之间的界面18的机械强度。

电极头16包括放电面20和与放电面20相连的侧面21。在本实施方式中，放电面20是以放电面20的重心22为中心的圆形。重心22是利用公知的方法算出的将放电面20作为平面图形时的几何中心。电极头16的侧面21是在轴线方向的全长上直径一定的圆筒面。电极头16的放电面20与接地电极31(参照图1)相对。

第1成分所占熔融部15的比例(质量％)通过搭载了对试样照射电子束的能量色散型X射线光谱仪的扫描电子显微镜(SEM-EDS)的分析来求出。为了检测熔融部15的成分而对试样照射电子束的位置是通过重心22且与放电面20垂直的直线23被界面17、18截取的线段(以交点24和交点25为两端的线段)的中点26。

母材14所含有的第1成分的比例(质量％)也能够通过SEM-EDS来求出。为了检测母材14的成分而对试样照射电子束的位置是母材14中的直线23上的距交点25与交点25和中点26之间的距离对应的量的点。

返回图1进行说明。中心电极13在轴孔12中与端子金属壳体27电连接。端子金属壳体27是连接有高压线缆(未图示)的棒状的构件，由具有导电性的金属材料(例如低碳钢等)形成。端子金属壳体27以前端侧插入于轴孔12的状态，固定在绝缘体11的后端侧。

在绝缘体11的外周固定有主体金属壳体28。主体金属壳体28是由具有导电性的金属材料(例如低碳钢等)形成的大致圆筒状的构件。主体金属壳体28具备向径向的外侧突出为凸缘状的座部29和设于比座部29靠前端侧的外周面的螺纹部30。主体金属壳体28通过使螺纹部30紧固于发动机(气缸盖)的螺纹孔(未图示)而固定。在主体金属壳体28的前端部连接有接地电极31。

接地电极31是由具有导电性的金属材料形成的棒状的构件。接地电极31具备端部与主体金属壳体28接合的棒状的母材32和经由熔融部与母材32连接的电极头33。母材32具有包含50质量％以上的Ni的化学组成。电极头33具有包含50质量％以上的Pt、Rh、Ir、Ru等贵金属中的一种或两种以上的化学组成。

图2是通过电极头16的放电面20的重心22且与放电面20垂直的中心电极13的剖视图。参照图2对母材14和电极头16的接合进行说明。将从电极头16的侧面21和熔融部15的表面19相交的第1交点34向包括放电面20的第1直线35引出的第1垂线36的长度设为A(mm)。

如图2所示，电极头16的侧面21和熔融部15的表面19相交的第1交点34在剖视图中出现了两个，因此，从第1交点34向第1直线35引出的第1垂线36也存在两个。将两个垂线36中的较短的第1垂线36的长度设为长度A。长度A不包括0mm。这是因为若长度A包括0mm，则存在电场强度较强容易产生放电的放电面20的角被熔融部15覆盖的情况，熔融部15中的放电面20的角的附近容易产生火花消耗。

第1直线35上的点37是自第1垂线36向相对于包含第1交点34的熔融部15的表面19远离的方向分离0.03mm的点。将与第1直线35垂直且通过点37的第2直线38与电极头16和熔融部15之间的界面17相交的第2交点39和点37之间的距离设为C(mm)。距离C是第2直线38由第1直线35和界面17截取而得到的线段的长度。第2直线38与第1垂线36平行。

之所以将第1垂线36和第2直线38之间的距离设为0.03mm，是因为熔融部15的界面17中的、电极头16的侧面21熔融而成的部分和电极头16的底面熔融而成的部分相连的部分通常带有圆角。通过将第1垂线36和第2直线38之间的距离设为0.03mm，能够减小由界面17的圆角的曲率的变动引起的距离C的变动，能够提高界面17中的主要是电极头16的底面熔融而成的部分和放电面20之间的距离C的测量精度。

直线40是通过第2交点39且与放电面20平行的直线。对于火花塞10，若将从第1交点34向直线40引出的第2垂线41的长度设为B(mm)，则满足B/C≥0.4。换言之，相对于电极头16的放电面20和界面17之间的距离C，电极头16中的被熔融部15包围其周围的部分的长度B为0.4倍以上。

若中心电极13满足B/C≥0.4，且比例X/Y＜0.93，则能够降低电极头16和熔融部15的界面17的热应力。由于能够减少从界面17的端(第1交点34)沿着界面17发展的裂纹，因此，能够提高电极头16的接合的耐久性。

此外，若满足B/C≥0.4，则即使由于火花放电而使电极头16的长度A的部分消耗，或使包围电极头16的长度B的部分的熔融部15消耗，也会通过长度B的部分而引起电极头16和接地电极31之间的放电。因此，能够确保电极头16的耐火花消耗性。而且，若电极头16的长度B的部分被熔融部15包围，则暴露于气氛的电极头16的长度A的部分的表面积变小，因此，能够提高高温下的电极头16的耐氧化消耗性。因而，能够提高电极头16的耐消耗性。

特别是作为由Ir合金构成的电极头16的主要成分的Ir的融点较高，但具有在高温环境下产生挥发性的氧化物而容易消耗这一性质。利用熔融部15包围电极头16的长度B的部分来减小暴露于气氛的电极头16的长度A的部分的表面积，从而能够降低Ir的氧化挥发，因此，能够提高电极头16的耐氧化消耗性。

由于能够提高电极头16的耐消耗性，因此，能够不需要为了确保电极头16用尽为止的时间而增大电极头16的体积。因而，能够减小包含贵金属的电极头16的使用量。

优选为长度A小于0.2mm，更优选为小于0.12mm。这是因为即使由于火花放电而使电极头16的长度A的部分消耗，或使包围电极头16的长度B的部分的熔融部15消耗，长度B的部分也较大部分地残留下来，因此，能够进一步提高电极头16的耐消耗性。

优选为A/B小于1.39，更优选为小于0.89。这是因为若A/B小于1.39，则能够进一步减少在界面17上发展的裂纹。这是因为若A/B小于0.89，则即使电极头16的长度A的部分消耗或包围电极头16的长度B的部分的熔融部15消耗，长度B的部分也较大部分地残留下来，因此，能够进一步提高电极头16的耐消耗性。

优选为A/C小于0.58，更优选为小于0.53。这是因为若A/C小于0.58，则能够进一步减少在界面17上发展的裂纹。这是因为若A/C小于0.53，则即使电极头16的长度A的部分消耗或包围电极头16的长度B的部分的熔融部15消耗，长度B的部分也较大部分地残留下来，因此，能够进一步提高电极头16的耐消耗性。

【实施例】

通过实施例进一步详细地说明本发明，但本发明不限定于该实施例。

以圆柱形的母材的端面与电极头的底面接触的方式在母材上放置圆柱形的电极头，对其照射激光束而形成熔融部。如此，制造了经由熔融部将电极头结合于母材的No.1－23的样品。母材的端面的直径为0.9mm，电极头的底面的直径为0.55mm，电极头的高度为0.36mm(均为熔融前的尺寸)。母材的材料为NCF600，母材的主要的化学组成为Ni＞72质量％、Cr：14－17质量％、Fe：6－10质量％。电极头的材料为Ir合金(Ir－5Pt－0.9Rh－1Ni)。

将利用燃烧器将电极头加热2分钟以使各样品的电极头的温度成为900℃之后，在空气中放置1分钟而进行冷却的过程作为一个循环，进行重复1000个循环的加热冷却的冷热试验。在开始冷热试验之前，利用燃烧器加热在电极头的附近埋入有热电偶的样品并测量温度，在冷热试验中设定燃烧器的燃烧条件，以使电极头的温度到达900℃。

在冷热试验之后，利用显微镜观察各样品的包含电极头的中心轴线的剖切面(参照图2)，测量长度A、长度B、距离C、电极头和熔融部的界面的长度(界面的全长)D以及从电极头和熔融部的界面的端沿着界面发展的裂纹的长度E。由于裂纹氧化，因此，能够辨别出接合着的界面和界面发生了破坏的裂纹。熔融部中的Ni(第1成分)的含有率X(质量％)相对于母材中的Ni的含有率Y(质量％)的比例X/Y通过SEM-EDS的分析来求出。计算B/C、A/B、A/C、X/Y以及E/D，将裂纹所占界面的全长的比例(E/D)为40％以下的样品判定为G(好)，将裂纹的比例超过40％的样品判定为P(差)。结果记于表1。

【表1】

如表1所示，No.1－12、21－23的样品的B/C≥0.4，No.13－20的样品的B/C＜0.4。No.1－12、21－23中的B/C≥0.4且X/Y＜0.93的No.1－12的裂纹的比例为40％以下，判定为G。B/C≥0.4且X/Y＝0.93的No.21－23的裂纹的比例为100％，判定为P。根据该结果可以明确的是，若B/C≥0.4且X/Y＜0.93，则能够减少从熔融部的界面的端沿着界面发展的裂纹。因而，推断为能够提高电极头的接合的耐久性。

此外，No.1－13的样品的X/Y≤0.69，但No.1－13中的B/C≥0.4的No.1－12的裂纹的比例为40％以下，判定为G。另一方面，B/C＜0.4的No.13的裂纹的比例为60％，判定为P。根据该结果可以明确的是，若B/C≥0.4且X/Y≤0.69，则能够进一步减少从熔融部的界面的端沿着界面发展的裂纹。

以上，基于实施方式说明了本发明，但本发明并不受上述实施方式任何限定，能够容易地推测在不脱离本发明主旨的范围内能够进行各种改良变形。

在实施方式中，对将中心电极13作为第1电极，将接地电极31作为第2电极的情况进行了说明，但未必限于此。与此相反，当然能够将接地电极31作为第1电极，将中心电极13作为第2电极。

在实施方式中，对电极头16呈圆柱的形状的情况进行了说明，但未必限于此。电极头16的形状能够适当设定为截头圆锥、方柱、除了方柱以外的多棱柱等。在电极头16的形状为截头圆锥状时，在电极头16的包含中心轴线的剖视图中，电极头16的侧面21共有垂线36和第1交点34，但除了交点34以外的部分不重叠。

在将接地电极31设为第1电极的情况下，电极头33的形状也能够适当设定为圆柱、方柱、除了方柱以外的多棱柱等。随着电极头16、33的形状的变更，电极头的放电面的形状也能够适当设定为圆形、四边形、除了四边形以外的多边形等。当然能够使中间构件(母材)介于与主体金属壳体28接合的接地电极31的母材32和电极头33之间，或使中间构件(母材)介于中心电极13的母材14和电极头16之间。在使中间构件介于它们之间的情况下，熔融部通过电极头和中间构件熔融而成。